JP7175457B2 - レーザ加工装置、レーザ加工方法及び成膜マスクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザ加工工程のタクトタイムを短縮しようとするレーザ加工装置、レーザ加工方法及び成膜マスクの製造方法に係るものである。

従来のレーザ加工装置は、被加工物にレーザ加工される複数の加工痕に対応して複数の開口窓を設けたシャドーマスクにレーザ光を照射し、開口窓を通過したレーザビームにより被加工物に上記加工痕をレーザ加工するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１７／１５４２３３号

しかし、このような従来のレーザ加工装置においては、シャドーマスクに複数ショットのレーザ光を照射しながら被加工物の所定領域に加工痕をレーザ加工し、それが終了すると被加工物を載置するステージを所定距離だけ移動して、被加工物の別の領域に上記と同様にして加工痕をレーザ加工するという動作を繰り返し行う、いわゆるステップアンドリピート方式のものであるため、上記ステージの移動精度を確保しながらステージを加速減速制御して移動するのに要する時間がレーザ加工時間よりも遥かに長くなり、レーザ加工工程のタクトタイムを短縮することが困難であった。そのため、加工製品の製造コストが高くなるという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、レーザ加工工程のタクトタイムを短縮しようとするレーザ加工装置、レーザ加工方法及び成膜マスクの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるレーザ加工装置は、ラインビームを生成するレーザ光学系と、前記レーザ光学系の光進行方向下流側に配置され、被加工物にレーザ加工される複数の加工痕に対応して複数の開口窓を設けたシャドーマスクと、前記シャドーマスクの像を前記被加工物上に投影する投影レンズと、前記シャドーマスク上に照射される前記ラインビームを前記シャドーマスク及び前記投影レンズに対して相対的に、前記ラインビームの長軸と交差する方向に移動させる移動機構と、前記被加工物を載置して保持するステージと、を備えたものである。

また、本発明によるレーザ加工方法は、被加工物にレーザ加工される複数の加工痕に対応して複数の開口窓を設けたシャドーマスク上にラインビームを照射し、前記開口窓を通過したレーザビームにより前記被加工物に前記加工痕をレーザ加工するレーザ加工方法であって、前記シャドーマスク上に照射される前記ラインビームを、レーザ加工中に前記シャドーマスク、及び該シャドーマスクの像を前記被加工物上に投影する投影レンズに対して相対的に、前記ラインビームの長軸に交差する方向に移動するものである。

さらに、本発明による成膜マスクの製造方法は、樹脂フィルムと複数の貫通孔を設けた磁性金属材料から成るメタルシートとを積層したマスク用部材にレーザ加工される複数の開口パターンに対応して複数の開口窓を設けたシャドーマスク上にラインビームを照射し、前記開口窓を通過したレーザビームにより前記マスク用部材に前記開口パターンをレーザ加工する成膜マスクの製造方法であって、前記シャドーマスク上に照射される前記ラインビームを、レーザ加工中に前記シャドーマスク、及び該シャドーマスクの像を前記マスク用部材上に投影する投影レンズに対して相対的に、前記ラインビームの長軸に交差する方向に移動するものである。

本発明によれば、所定領域のレーザ加工処理時間は、ステージのステップ移動時間に依存する従来技術と違って、ラインビームの移動速度により決まり、ラインビームの移動速度は、略レーザの発振周波数により決まるので、レーザの発振周波数を十分に生かしたレーザ加工を行うことができる。したがって、レーザ加工工程のタクトタイムを短縮することができ、加工製品のコストを低減することができる。また、被加工物がラインビームを移動しながらレーザ加工されるため、ラインビームの移動方向の強度分布が平均化されて均一になり、過不足のない均一な加工痕を形成することができる。

本発明によるレーザ加工装置の一実施形態の概略構成を示す正面図である。 被加工物としてのマスク用部材を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は加工痕である開口パターンを示す要部拡大断面図である。 ラインビームとシャドーマスクとの関係を示す平面図である。 移動機構の一構成例を示す説明図である。 制御装置の一構成例を示すブロック図である。 同一条件の下でのレーザ加工の処理時間について、本発明によるレーザ加工方法と従来方法とを比較した表である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるレーザ加工装置の一実施形態の概略構成を示す正面図である。このレーザ加工装置は、シャドーマスクを介して被加工物にレーザビームを照射し加工痕を形成しようとするもので、レーザ光学系１と、シャドーマスク２と、投影レンズ３と、移動機構４と、ステージ５と、制御装置６と、を備えて構成されている。

ここでは、被加工物が、図２（ａ）に示すように、例えばポリイミド又はポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルム７と複数の貫通孔１０を設けた磁性金属材料から成るメタルシート８とを積層したマスク用部材９であり、上記加工痕が、図２（ｂ）に示すように上記貫通孔１０内に位置する樹脂フィルム７の部分に形成された開口パターン１１である場合について説明する。なお、図２（ａ）において、符号１２は、マスク用部材９を支持するフレームである。

樹脂フィルム７に替えて厚みが該樹脂フィルム７と略同等（約３μｍ～約１０μｍ）のメタル箔シートを使用してもよい。この場合、メタル箔シートに開口パターン１１を形成するためには、後述の紫外線と違って、赤外線のレーザ光が使用される。

上記レーザ光学系１は、ラインビームＬｂのレーザ光Ｌを生成するものであり、光進行方向上流側からレーザ光源１３と、前段光学系１４と、後段光学系１５とを備えて構成されている。

上記レーザ光源１３は、上記樹脂フィルム７をアブレート可能な紫外領域の波長を有するレーザ光Ｌを放射するものであり、例えばエキシマレーザやＹＡＧレーザ等である。なお、使用するレーザ及びレーザ光Ｌの波長は、被加工物の材料に応じて適宜選択される。また、上記前段光学系１４は、レーザ光源１３から放射されたレーザ光Ｌの径を拡大するビームエキスパンダや、拡大されたレーザ光Ｌを平行光にするコリメータレンズや、レーザ強度を調整するアッテネータや、レーザ光Ｌの光路を開閉するシャッタ等を備えて構成され、ビームプロファイルチェック、パワーモニター、ビーム位置補正等の機能を有するようにされている。さらに、上記後段光学系１５は、レーザ光Ｌの横断面内の強度分布を均一化するホモジナイザーや、径が拡大されたレーザ光ＬをラインビームＬｂに変換する、例えばシリンドリカルレンズ等を備えて構成されている。なお、図１において符号１６は、平面反射ミラーである。

上記レーザ光学系１の光進行方向下流側には、シャドーマスク２が配置して設けられている。このシャドーマスク２は、図３に示すように、マスク用部材９にレーザ加工される複数の開口パターン１１に対応して複数の開口窓１７を設け、ラインビームＬｂを複数のレーザビームＢに分岐してマスク用部材９に照射するものであり、例えば透明ガラスの表面に被着されたクロム等の不透明膜に複数の開口窓１７をエッチング等により形成したものである。又は、メタルシートに貫通する複数の開口窓１７を設けたものであってもよい。詳細には、本発明のシャドーマスク２は、従来のシャドーマスクがカバーするマスク用部材９上の加工領域よりも広い領域をカバーするように、従来のシャドーマスクよりも大型のものである。

上記シャドーマスク２の光進行方向下流側には、投影レンズ３が設けられている。この投影レンズ３は、シャドーマスク２の像をマスク用部材９上に投影するものであり、本実施形態においては、シャドーマスク２の開口窓１７の像をメタルシート８の貫通孔１０内の樹脂フィルム７上に１／５に縮小して投影するようになっている。

図１に示すように、上記シャドーマスク２上に照射されるラインビームＬｂを、該ラインビームＬｂの長軸（Ｘ軸）と交差する方向（Ｙ軸方向）に移動可能に移動機構４が設けられている。この移動機構４は、レーザ加工中のラインビームＬｂの移動を等速（一定速度）で行わせるものであり、レーザ光学系１の後段光学系１５を移動させる例えばエアスライダーや、リニアガイドや、ボールねじ等で構成されている。なお、ラインビームＬｂに対してシャドーマスク２を含む後述の投影レンズ３を移動させてもよいが、ここでは、ラインビームＬｂを移動させる場合について説明する。

図４は上記移動機構４の一構成例を示す説明図である。この移動機構４は、後段光学系１５の出力側の光路に挿入されたミラー構成のものであり、互いに９０°の角度で交差する二つの外側反射面１８を有する固定型反射ミラー１９と、互いに９０°の角度で交差する二つの内側反射面２０を有し、該二つの内側反射面２０が上記固定型反射ミラー１９の二つの外側反射面１８に対して平行状態を維持して、上記外側及び内側反射面１８，２０の各交点を結ぶ方向に離隔及び接近する可動型反射ミラー２１と、上記固定型反射ミラー１９で反射された出力光の光路を例えば９０°折り曲げる可動型平面反射ミラー２２と、を備えて構成されている。

そして、上記可動型平面反射ミラー２２を入射光の光軸に沿って移動させることにより、ラインビームＬｂがシャドーマスク２上を移動するようにしている。この場合、可動型平面反射ミラー２２の移動に同期して可動型反射ミラー２１を移動させることにより、後段光学系１５の光路長を維持できるようにしている。具体的には、図４において可動型平面反射ミラー２２を左から右へ距離Ｄだけ移動させる場合、可動型反射ミラー２１と固定型反射ミラー１９との間隔をＤ／２だけ広げるように可動型反射ミラー２１を移動させるとよい。

また、上記移動機構４は、ガルバノミラー又はポリゴンミラーとｆθレンズとを組み合わせたものであってもよい。これにより、ラインビームＬｂをガルバノミラー又はポリゴンミラーで左右に振ると共に、ｆθレンズでシャドーマスク２上を移動するラインビームＬｂの速度を等速にすることができる。

上記投影レンズ３に対向してステージ５が設けられている。このステージ５は、マスク用部材９を載置して保持するものであり、投影レンズ３の光軸に直交する二次元平面内を移動可能に構成されている。

上記レーザ光源１３、前段光学系１４、移動機構４及びステージ５に電気的に接続して制御装置６が設けられている。この制御装置６は、各構成要素が適切に駆動するように制御するものであり、図５に示すように、レーザ光源コントローラ２３と、前段光学系コントローラ２４と、移動機構コントローラ２５と、ステージコントローラ２６と、メモリ２７と、演算部２８と、中央制御部２９と、を備えている。

ここで、上記レーザ光源コントローラ２３は、レーザ光源１３の点灯及び消灯、発振周波数等を制御するものである。また、前段光学系コントローラ２４は、前段光学系１４のアッテネータを制御してレーザ光Ｌの強度を調整可能とすると共に、シャッタの開閉を制御するものである。さらに、移動機構コントローラ２５は、移動機構４を制御してシャドーマスク２上のラインビームＬｂの移動速度を制御するものである。また、ステージコントローラ２６は、ステージ５の載置面の中心における法線を軸とするステージ５の回動角度、ステージ５の移動方向、移動速度及び移動量を制御するものである。さらに、メモリ２７は、レーザ光源１３の発振周波数及びレーザ加工のショット数、ラインビームＬｂの移動速度、ステージ５の移動速度及び移動量等を記憶するものである。さらにまた、演算部２８は、メモリ２７から読み出したラインビームＬｂの移動速度と実際のラインビームＬｂの移動速度とを比較して移動機構４が適切に駆動するように移動機構コントローラ２５を制御すると共に、メモリ２７からステージ５の移動速度及び移動量を読み出し、実際のステージ５の移動速度及び移動量と比較してステージ５が適切に駆動するようにステージコントローラ２６を制御するようになっている。そして、中央制御部２９は、各構成要素を統合して制御するものである。

次に、このように構成されたレーザ加工装置を使用したレーザ加工方法について説明する。特に、ここでは、図６に示す同一の加工条件の下で行う成膜マスクの製造方法について、従来方式と比較して説明する。
先ず、図１及び図２（ａ）に示すように、マスク用部材９の樹脂フィルム７を平坦なガラス基板３０に密着させた状態でステージ５上に載置する。

次いで、マスク用部材９のＹ軸方向の中心線に対して左右に設けられたアライメントマークを図示省略の撮像カメラにより撮影し、その撮影画像に基づいてマスク用部材９の上記中心線がステージ５の移動方向（Ｙ軸方向）に合致するように、ステージコントローラ２６によりステージ５の回動角度を調整する。

続いて、ステージ５をＸ軸及びＹ軸方向に移動してレーザビームＢの照射位置をマスク用部材９のレーザ加工開始位置に合せる。併せて、図示省略のオートフォーカス手段により、レーザビームＢが樹脂フィルム７上に集光するように投影レンズ３を含む光学系をＺ軸方向に移動して自動調整する。これにより、レーザ加工の準備が終了する。

次に、制御装置６のレーザ光源コントローラ２３を通してレーザ光源１３が点灯されると共に、前段光学系コントローラ２４を通して前段光学系１４のシャッタが開かれてレーザ加工が開始される。この場合、レーザ光源１３からは、例えば３００Ｈｚで発振する波長が３０８ｎｍのレーザ光Ｌが放射される。レーザ光源１３から放射されたレーザ光Ｌは、前段光学系１４によりビーム径が拡大され、平行光にされて後段光学系１５に入射する。なお、事前に、レーザ光Ｌのエネルギー密度が例えば４００ｍＪ／ｃｍ^２となるように、前段光学系コントローラ２４を通してアッテネータが調整されている。

後段光学系１５に入射したレーザ光Ｌは、該後段光学系１５を構成するホモジナイザーによりレーザ強度が均一化された後、例えばシリンドリカルレンズにより１本のラインビームＬｂに変換されて後段のシャドーマスク２に照射する。

同時に、制御装置６の移動機構コントローラ２５により制御されて移動機構４が駆動し、上記後段光学系１５をＹ軸方向に一定速度で移動する。これにより、ラインビームＬｂがシャドーマスク２上をＹ軸方向に等速で移動することになる。

この場合、シャドーマスク２を通過し、マスク用部材９に照射する複数のレーザビームＢの移動速度は、マスク用部材９の所定領域、例えばレーザビームＢのＹ軸方向の幅に等しい３ｍｍ幅の領域が６０ショット（３００Ｈｚ）のレーザ照射により加工されるように決められている。したがって、本発明の実施例においては、レーザビームＢの移動速度はマスク用部材９上で１５ｍｍ／ｓｅｃとなる。本発明の実施例においては、投影レンズ３の倍率が１／５であるから、シャドーマスク２上のラインビームＬｂの移動速度は、７５ｍｍ／ｓｅｃとなる。

シャドーマスク２を通過した複数のレーザビームＢは、投影レンズ３により１／５に縮小されてマスク用部材９の３ｍｍ幅の領域に照射する。これにより、マスク用部材９のメタルシート８の貫通孔１０内に位置する樹脂フィルム７が上記複数のレーザビームＢによりアブレートされ、複数の開口パターン１１が形成される。

このとき、ラインビームＬｂが上記７５ｍｍ／ｓｅｃの速度でシャドーマスク２上を距離１６０ｍｍ移動しながらマスク用部材９がレーザ加工されるから、マスク用部材９には、１ステップの加工処理でＹ軸方向の領域幅２９ｍｍがレーザ加工され、複数の開口パターン１１が形成される。

上記のようにしてラインビームＬｂを移動しながら、マスク用部材９の所定領域がレーザ加工されると、前段光学系コントローラ２４により駆動されてシャッタが閉じられ、ステージコントローラ２６によりステージ５が所定方向に所定距離だけステップ移動される。そして、マスク用部材９の新たな領域が上記と同様にしてレーザ加工され、次の複数の開口パターン１１が形成される。この場合、ラインビームＬｂは、一旦移動開始位置まで高速で戻ってから上記と同様に移動させてもよく、移動終了位置から移動開始位置に向けて反対方向に７５ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させてもよい。

このように、本発明によれば、ラインビームＬｂを例えば７５ｍｍ／ｓｅｃの速度で距離１６０ｍｍを移動しながらマスク用部材９をレーザ加工するものであるので、１ステップのレーザ加工処理に要するラインビームＬｂの移動時間は、２．１３ｓｅｃとなる。また、図６に示すように、ラインビームＬｂの移動開始及び停止時の加減速時間（トータル）を１．０ｓｅｃとし、制御装置６とレーザ光源１３との間の通信時間を０．５ｓｅｃとすると、１ステップのレーザ加工の処理時間は３．６３ｓｅｃとなる。

一方、従来方式によれば、レーザ加工は、ラインビームＬｂ及びステージ５を停止した状態で行われるため、１ステップのレーザ加工は、Ｙ軸方向の幅３ｍｍの領域が３００Ｈｚのレーザ光Ｌにより６０ショットで行われる。したがって、３ｍｍ幅の加工領域のレーザ加工時間は、０．２ｓｅｃとなる。また、本発明と同様に制御装置６とレーザ光源１３との間の通信時間を０．５ｓｅｃとすると、１ステップのレーザ加工の処理時間は０．７ｓｅｃとなる。

従来方式においては、３ｍｍ幅の加工領域のレーザ加工が終了する毎にステージ５をステップ移動して次の３ｍｍ幅の加工領域がレーザ加工されるから、本発明と同様にＹ軸方向の幅２９ｍｍの領域をレーザ加工するには、１０回の処理ステップと、ステージ５の９回のステップ移動により実施されることになる。ステージ５のステップ移動時間は、１．７０ｓｅｃであるから、従来方式により本発明と同じ２９ｍｍ（Ｙ）幅の領域をレーザ加工するのに要する処理時間は、トータルで２２．３ｓｅｃとなり、本発明の処理時間３．６３ｓｅｃに比べて遥かに長くなる。

したがって、同じ面積を有するマスク用部材９をレーザ加工する処理時間は、従来方式に比べて本発明の方が遥かに短くなり、本発明は、成膜マスクを製造するためのタクトタイムを短縮することができる。

特に、本発明においては、シャドーマスク２のサイズが大きくなり、１回の処理面積が大きくなるほど処理時間をより短縮することができ、タクトタイムをより短縮することができる。

なお、以上の説明においては、成膜マスクの製造装置及び成膜マスクの製造方法について説明したが、本発明はこれに限られず、半導体基板のアモルファスシリコンをレーザアニールする装置や、露光装置、又はプリント基板にビアを形成する装置等の他のレーザ加工装置及びレーザ加工方法にも適用することができる。被加工物としてのプリント基板には、フレキシブルプリント基板及びリジッド基板等が含まれ、加工痕としてのビアには、スルーホールビア、ブラインドビア、ベリードビア及びマイクロビア等が含まれる。

１…レーザ光学系
２…シャドーマスク
３…投影レンズ
４…移動機構
５…ステージ
７…樹脂フィルム
８…メタルシート
９…マスク用部材（被加工物）
１０…貫通孔
１１…開口パターン（加工痕）
１７…開口窓
Ｌｂ…ラインビーム
Ｂ…レーザビーム

Claims (17)

1. ラインビームを生成するレーザ光学系と、
   前記レーザ光学系の光進行方向下流側に配置され、被加工物にレーザ加工される複数の加工痕に対応して複数の開口窓を設けたシャドーマスクと、
   前記シャドーマスクの像を前記被加工物上に投影する投影レンズと、
   前記シャドーマスク上に照射される前記ラインビームを前記シャドーマスク及び前記投影レンズに対して相対的に、前記ラインビームの長軸と交差する方向に移動させる移動機構と、
   前記被加工物を載置して保持するステージと、
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記ラインビームの相対的な移動速度は、一定であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記ステージは、前記投影レンズの光軸に直交する二次元平面内を移動可能に構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記被加工物は、樹脂フィルムと複数の貫通孔を設けたメタルシートとを積層したマスク用部材であり、
   前記加工痕は、前記貫通孔内に位置する前記樹脂フィルムの部分に形成される開口パターンである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
5. 前記被加工物は、樹脂フィルムと複数の貫通孔を設けたメタルシートとを積層したマスク用部材であり、
   前記加工痕は、前記貫通孔内に位置する前記樹脂フィルムの部分に形成される開口パターンである、
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
6. 前記被加工物は、プリント基板であり、
   前記加工痕は、前記プリント基板に形成されるビアである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
7. 前記被加工物は、プリント基板であり、
   前記加工痕は、前記プリント基板に形成されるビアである、
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
8. 被加工物にレーザ加工される複数の加工痕に対応して複数の開口窓を設けたシャドーマスク上にラインビームを照射し、前記開口窓を通過したレーザビームにより前記被加工物に前記加工痕をレーザ加工するレーザ加工方法であって、
   前記シャドーマスク上に照射される前記ラインビームを、レーザ加工中に前記シャドーマスク、及び該シャドーマスクの像を前記被加工物上に投影する投影レンズに対して相対的に、前記ラインビームの長軸に交差する方向に移動することを特徴とするレーザ加工方法。
9. 前記ラインビームの相対的な移動速度は、一定であることを特徴とする請求項８記載のレーザ加工方法。
10. 前記シャドーマスク上の前記ラインビームの移動を終えると、前記被加工物を移動して該被加工物上の別の領域に、前記ラインビームを前記シャドーマスク及び前記投影レンズに対して相対移動しながら前記加工痕をレーザ加工することを特徴とする請求項８又は９記載のレーザ加工方法。
11. 前記被加工物は、樹脂フィルムと複数の貫通孔を設けたメタルシートとを積層したマスク用部材であり、
    前記加工痕は、前記貫通孔内に位置する前記樹脂フィルムの部分に形成される開口パターンである、
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のレーザ加工方法。
12. 前記被加工物は、樹脂フィルムと複数の貫通孔を設けたメタルシートとを積層したマスク用部材であり、
    前記加工痕は、前記貫通孔内に位置する前記樹脂フィルムの部分に形成される開口パターンである、
    ことを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工方法。
13. 前記被加工物は、プリント基板であり、
    前記加工痕は、前記プリント基板に形成されるビアである、
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のレーザ加工方法。
14. 前記被加工物は、プリント基板であり、
    前記加工痕は、前記プリント基板に形成されるビアである、
    ことを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工方法。
15. 樹脂フィルムと複数の貫通孔を設けた磁性金属材料から成るメタルシートとを積層したマスク用部材にレーザ加工される複数の開口パターンに対応して複数の開口窓を設けたシャドーマスク上にラインビームを照射し、前記開口窓を通過したレーザビームにより前記マスク用部材に前記開口パターンをレーザ加工する成膜マスクの製造方法であって、
    前記シャドーマスク上に照射される前記ラインビームを、レーザ加工中に前記シャドーマスク、及び該シャドーマスクの像を前記マスク用部材上に投影する投影レンズに対して相対的に、前記ラインビームの長軸に交差する方向に移動することを特徴とする成膜マスクの製造方法。
16. 前記ラインビームの相対的な移動速度は、一定であることを特徴とする請求項１５記載の成膜マスクの製造方法。
17. 前記シャドーマスク上の前記ラインビームの移動を終えると、前記マスク用部材を移動して該マスク用部材上の別の領域に、前記ラインビームを前記シャドーマスク及び前記投影レンズに対して相対移動しながら前記開口パターンをレーザ加工することを特徴とする請求項１５又は１６記載の成膜マスクの製造方法。

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